香港科大开发全球首台零下弹卡冷冻装置

香港科技大学（科大）工学院团队成功开发全球首台能实现低至摄氏负12度的零下弹卡冷冻装置。是次突破标志着绿色弹卡冷冻技术应用进一步扩展至全球冷冻业的重大里程碑，更实现了零排放的绿色冷冻，为促进冷冻业的低碳转型提供切实可行的方案，为应对日趋严峻的气候变化作出贡献。研究成果已于国际期刊《自然》发表，论文题为“低温相变合金实现零下弹卡制冷”。

随着全球暖化问题加剧，制冷需求急速增加，冷冻技术占全球电力消耗量比例相当高。其中，主流蒸气压缩制冷系统极度依赖氢氟烃等具有高全球变暖潜能值的制冷剂。基于形状记忆合金的弹卡冷冻技术是广获学界及业界关注的环保替代方案，具零排放、高能效的特点，毋须使用传统制冷剂，而是利用形状记忆合金在循环应力作用下相变潜热的释放与吸收来制冷。

这项技术不但为冷冻业脱碳提供新路径，同时减少碳排放，加强全球应对气候变化的能力。冷冻业的市场规模与空调业相若，然而，现有弹卡装置仅可应用于室内空调制冷，因此将技术扩展至冷冻业的应用至关重要。

由科大机械及航空航天工程学系讲座教授孙庆平教授带领的团队，在弹卡冷冻技术取得新突破。新技术特点体现于材料、传热流体及制冷结构的精心设计：

（一）低相变温度合金：团队选用高镍含量（51.2 at%）的二元镍钛合金，通过成分调控将奥氏体结束温度（Af）温度降至摄氏负20.8度。该合金在低至摄氏负20度环境下仍能表现出优异超弹性和显著相变潜热，其绝热温变峰值在0度时可以达到摄氏16.3度，有效工作温窗宽达摄氏48.5度。

（二）抗冻结传热流体：采用30 wt%的氯化钙水溶液作为传热物质。该溶液凝固点低，低温运行时仍能保持流动性，避免冰晶堵塞，同时与镍钛合金表面保持良好湿润性，降低接触热阻，提升传热效率。

（三）级联式管状结构设计：设备采用压缩式主动回热布雷顿循环。回热器由八个管状镍钛合金单元级联构成，每个单元包含三个薄壁管结构。这种设计扩大了传热面积与体积比（达8.68 mm-1），并获X光电脑断层扫描证实，能在900 MPa压应力下实现均匀压缩而不屈曲。

在一赫兹的运行频率下，这台桌面型装置成功实现了从室温热汇约摄氏24度到冷源温度摄氏负12度的跨越，温差达摄氏36度，为弹卡冷冻领域首次录得摄氏零度以下的冷源温度。研究团队将设备集成于一个体积为1.0×0.5×0.5m3（0.25立方米）的装置中，并在户外摄氏20至25度的环境下进行测试。装置产生的低温流体成功将一个小型隔热腔室内的空气温度在60分钟内稳定在摄氏负4度，并将腔室内20毫升蒸馏水在两小时内完全冻结成冰。这些测试证明了新技术的高效冷冻能力。在性能指标方面，在零温差条件下，该装置的单位质量制冷功率可达每克1.43瓦，系统能效最高达3.4，展现了相当可观的能效潜力。

此次研究对全球脱碳，以应对气候变化具重大影响力。根据研究引用的数据，全球氢氟烃类制冷剂的年排放量预计在2025年超过12亿吨二氧化碳当量，其中约27%来自于摄氏零度以下的冷冻应用。这意味着，仅冷冻业每年产生约3.3亿吨二氧化碳当量的温室气体排放。

这项零下弹卡冷冻技术的成功示范，为替代现有高全球变暖潜能值的气体制冷剂提供可行的零排放方案。研究团队估算，若新技术在全球制冷领域获广泛应用，每年有望减少约3.3亿吨二氧化碳当量的温室气体排放，为实现全球气候目标作出重大贡献。

科大研究团队负责人孙庆平教授表示：“这项研究成果展示了弹卡冷冻技术大规模应用的潜力，我们正与业界紧密合作，积极推动技术的商业化。随着全球对氢氟碳化物（HFCs）管控愈趋严格，这项零排放、低耗能的冷冻技术有望重塑冷冻业的格局，为实现碳中和目标提供关键技术方案。借助形状记忆合金材料、制造工艺、热力学设计及系统工程技术的进步，我们将致力优化弹卡冷冻系统的效率、功率密度和成本竞争力，以实现更大的冷冻功率、更高的效能。”

孙庆平教授及周国安教授为科大潘乐陶气候变化与可持续发展研究中心成员，中心主任陆萌茜教授表示：“团队在弹卡冷冻技术领域取得的新突破，标志着中心在应对气候变化方面的重大进展。这项研究已在国际权威期刊《自然》上发表，为中心自2025年7月成立以来取得的重要成就，也实践了中心为全球气候韧性和可持续发展提供有效解决方案的使命。”

这个研究项目获香港研究资助局辖下“策略专题研究资助金”及“优配研究金”计划、香港创新科技署，以及深港合作项目的重点支持。

此次更是孙教授的研究团队在一年内再度于《自然》发表研究成果。团队去年二月首次于该期刊发表有关全球首台千瓦级弹卡制冷空调装置的研究，论文题为《Achieving Kilowatt-Scale Elastocaloric Cooling by a Multi-Cell Architecture》。

东方卫视、看看新闻Knews记者 俞骅 香港报道